JP6645960B2 - 工作物へのレーザービームの進入深さを測定する方法、及び、レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作物へのレーザービームの進入深さを測定する方法、及び、工作物を溶接し、切断し、孔をあけ、あるいはその他のやり方で加工する、レーザー加工装置に関する。

レーザー加工装置は、通常、レーザー放射源を有しており、それは、たとえばファイバレーザー又はディスクレーザーとすることができる。
さらにレーザー放射源から発生されたレーザービームを焦点内に合焦させる加工ヘッド及びレーザービームを加工ヘッドへ供給するビーム供給装置が、レーザー加工装置に属している。その場合にレーザー供給装置は、光学ファイバ又は他の導波管及び／又は平坦な、あるいは湾曲した面を備えた１つ又は複数の転向ミラーを有している。
加工ヘッドは、移動可能なロボットアーム又は、３つの空間方向すべてにおいて位置決めを可能にする他の走行器具に固定することができる。その場合にレーザー放射源は、加工ヘッド又はそれを支持する走行器具から遠く離して配置されることが多い。

今日まで、未だに満足のゆくように解決されていない、レーザー加工装置を使用する場合の課題は、レーザービームの進入深さを可能な限り正確に所望の目標値に維持することである。
進入深さというのは、レーザービームによって工作物内で発生される蒸気毛管の軸方向の広がりである。進入深さがその目標値をとった場合にのみ、所望の加工成果が得られる。たとえば２つの金属シートを溶接する場合に進入深さが小さすぎる場合には、２つのシートの溶接は行われず、あるいは不完全な溶接しか行われない。それに対して進入深さが大きすぎると、溶断をもたらす。

進入深さの望ましくない変動は、様々な理由から発生し得る。
すなわち、たとえばレーザー加工の経過において、加工ヘッド内の光学素子を飛沫や他の汚れから保護する保護ディスクが、レーザー放射の増大する部分を吸収することがあり、それによって進入深さが減少する。
工作物内の不均一性又は処理速度の変動によっても、進入深さが局所的に変化し、それによってその目標値からずれることが生じ得る。

これまで、レーザー加工の間レーザービームの進入深さを確実に測定する方法は存在しなかった。
これは、蒸気毛管（vapour capillary)の内部に極めて困難な測定条件が支配していることと関連する。蒸気毛管は、極めて小さく、かつ熱的に極めて明るく照射するだけでなく、概ね加工の間常にその形状が変化する。

したがって通常は、蒸気毛管と関連する他の変量、たとえばその輝度、の観察からその実際の広がりが推定される。
測定よりむしろ評価されたこの進入深さの値が、目標値と比較される。
その後閉ループ制御回路内で加工レーザーの出力が、進入深さがその目標値に近づくように変化される。

レーザー加工の間の間隔測定のために、少し以前から光コヒーレントトモグラフ（英語ではOptical Coherence Tomograph, OCT）が提案されている。特に特許文献１、特許文献２及び特許文献３を参照。
光コヒーレントトモグラフィーは、工作物内でレーザービームによって焦点の周囲に発生される、極めて明るく熱的に輝く蒸気毛管の近傍においても、高精度かつ非接触の光学的な間隔測定を可能にする。
レーザービームが表面の全てにわたってスキャナー状に案内される場合には、特に走査される表面の３Ｄプロフィールの検出が可能である。
測定ビームが蒸気毛管内へ向けられた場合には、特許文献４に記載されているように、原理的に、その軸方向の広がりも測定することができる。

しかし、レーザー加工の間、工作物の加工すべき表面の全てにわたってスキャナー状に案内されるＯＣＴビームによって、レーザー加工の間に進入深さは、満足できない精度でしか測定されない。このことで、レーザー出力の変化による進入深さの制御も不十分である。

欧州特許出願公開第１９７７８５０（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００１６８６２（Ｂ２）号明細書 米国特許出願第２０１２／０１３８５８６号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２８５９３６（Ａ１）号明細書 独国特許出願第１０２０１３００８２６９．２

本発明の課題は、工作物内のレーザービームの進入深さをより正確に測定する方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は、以下のステップを有する方法によって解決される：
ａ）加工ヘッド内に配置されている合焦光学系によって焦点内にレーザービームを合焦させ、それによって焦点が工作物内に蒸気毛管を発生させるステップ；
ｂ）光コヒーレントトモグラフによって、第１の測定ビームと第２の測定ビームを発生させるステップ；
ｃ）第１の測定ビームを蒸気毛管内の、特に好ましくは蒸気毛管の基部の、第１の測定点へ向け、それによって参照点と第１の測定点の間の第１の間隔を測定するステップ；
ｄ）ステップｃ）と同時に第２の測定ビームを、蒸気毛管の外部において工作物の加工ヘッドを向いた表面上の第２の測定点へ向け、それによって参照点と第２の測定点の間の第２の間隔を測定するステップ；
ｅ）第１の間隔と第２の間隔からレーザービームの進入深さを定めるステップ。

本発明は、光コヒーレントトモグラフの測定ビームが恒久的あるいは少なくとも圧倒的に蒸気毛管内へ向けられる場合にのみ、蒸気毛管の基部に対する間隔を充分な精度で測定することができる、という認識に基づいている。その場合に極めて高い測定精度は、比較的多数の個別測定の結果であるだけでなく、測定ビームがスキャンするように移動されない場合にのみ、測定ビームを極めて正確に極めて小さい蒸気毛管内へ向けることができることとも関連している。
測定ビームの方向を前もって正確に調整し、それによって充分に蒸気毛管の基部から測定値が得られるようにすることが必要な場合もある。
実験によって、測定ビームが蒸気毛管をスキャナ状に走査する場合に不可避であるような、最小の調整不具合でも、説得力のある測定点の数とそれに伴って測定精度が全体として著しく減少することが、明らかにされている。

蒸気毛管から極めて多くの測定値が提供され、かつ測定ビームが良好に調整されている場合でも、これまで正確にわかっていない理由から、説得力のある測定値が得られるのは比較的少ない。
測定値のかなり大部分において、測定点は蒸気毛管の基部ではなく、その上にあるように思われる。
最大の間隔を表す測定値のみが、実際に、蒸気毛管の基部に位置する場所についての情報を与える。
したがって好ましくは、ステップｂ）からｃ）が多数回繰り返されて、そこから得られる第１の間隔のための測定値から、最大の第１の間隔を表す、ある割合の測定値が選択される。この割合の測定値から、その後、たとえば回帰分析によって、実際の進入深さを導き出すことができる。

測定ビームが蒸気毛管内へ向けられる場合に、このようにして、参照点に対する蒸気毛管の基部の間隔のみが定められ、それはたとえば、コヒーレントトモグラフによって実施される波長差の測定のゼロ点とすることができる。
進入深さを求めることができるようにするために、さらに、蒸気毛管を包囲する工作物の領域の表面が参照点からどのくらい離れているか、が測定されなければならない。

したがって本発明によれば、光コヒーレントトモグラフが第１の測定ビームと第２の測定ビームを発生させる。
第１の測定ビームは、蒸気毛管の基部に対する参照点の間隔を測定し、第２の測定ビームは工作物上の蒸気毛管を包囲する領域の表面に対する参照点の間隔を測定する。その場合に概ね、２つの間隔値の差を簡単に形成することによって、工作物内へのレーザービームの進入深さが得られる。
しかし、進入深さをより複雑なやり方で計算することが、必要になる場合もある。たとえば、測定結果を検査する場合に、測定された進入深さが実際の進入深さからファクター又は量ｘだけずれていることが明らかになった場合には、これは、計算する場合に補正係数又は補正量によって考慮される。
一定の、しかし材料に依存する量（オフセット）によって、たとえば、工作物がまだ蒸気毛管の下方の小さい領域内で溶融しているので、溶接継ぎ目の深さが概ね進入深さよりも少し大きくなる、という事実を考慮することができる。
進入深さの正確な測定値を得るために、第２の測定ビームが向けられている工作物の表面上の第２の測定点は、蒸気毛管に近すぎてはならないが、離れすぎていてもいけない。１ｍｍ〜２．５ｍｍの間隔が、特に適していることが明らかにされている。
すなわち第２の測定点が表面に近すぎる場合には、溶融物の動きの激しい、あるいは泡を形成する表面が検出される。それに対して第２の測定点が蒸気毛管から離れすぎている場合には、進入深さを定めるために、様々な時点で得られた測定値を利用し、あるいは他のやり方で準備された工作物の幾何学配置データを利用することにより、蒸気毛管の近傍の表面の形状（たとえばＣＡＤデータからわかった平坦な面の傾斜）を考慮することが、必要になる場合がある。

蒸気毛管の外部の第２の測定点は、冒頭で述べた特許文献１から知られているように、加工ヘッドと工作物の表面の間の間隔を閉ループ制御するために使用することができる。
このように閉ループ制御する場合に、加工ヘッド及び／又は工作物を移動させることによって、レーザービームの焦点が工作物の表面に対して常に所望の位置に置かれる。
その代わりに、あるいはそれに加えて、測定すべき工作物の表面に対して焦点を位置決めするために、加工ヘッドの合焦光学系を調節することもできる。

ステップｄ）において、第２の測定ビームは、工作物の表面上の様々な第２の測定点へ連続的に向けることができる。その場合に第２の測定ビームは、進入深さを定めるための参照値を準備する課題を有するだけでなく、たとえば溶接継ぎ目の上方に生じる溶接ビードを走査し、あるいは蒸気毛管を包囲する溶融物を検出する課題も有している。
特に様々な第２の測定点の少なくともいくつかは、レーザービームによって形成された溶接継ぎ目によって覆われる場合がある。

その場合に、特に、様々な第２の測定点の少なくともいくつがが蒸気毛管を取り巻く円の上にあると、効果的であることが明らかにされている。
このようにして、レーザービームと工作物の間の相対的な配置が変化する処理プロセスがあった場合でも、それに関係なく常に前進して測定点が得られることが、保証されている。

しかしスキャンは、第２の測定ビームにおいてだけでなく、付加的に第１の測定ビームにおいても可能である。
これは特に、レーザービームの焦点が、通常ガルバノミラーの配置を含むスキャン装置によって工作物の上方で案内される場合にも、効果的である。
加工ヘッドが充分に離れている場合（たとえば工作物から約５０ｃｍ）に、工作物上で互いに遠く離れた場所をレーザービームで極めて高速に加工することができる。その場合に比較的重い加工ヘッドの比較的大きい運動は、スキャン装置内の軽いガルバノミラーの短い高速の運動に代えられる。
加工ヘッドが工作物から遠く離れており、かつスキャン装置を有しているような工作方法は、しばしば遠隔レーザー溶接（英語ではRemote Welding又はWelding-on-the-fly）又は遠隔レーザー切断（Remote Laser Cutting）と称される。
このような方法のためにも、本発明に係る、蒸気毛管及び周囲の領域の独立した検出が効果的に使用される。
より大きい軸方向の領域をカバーすることができるようにするために、コヒーレントトモグラフのリファレンス光内に波長モジュレータを配置することができ、その波長モジュレータは合焦光学系の焦点距離の変化に同期し、かつそれに従ってリファレンス光内の光学的な波長に追従する。
これについてさらに詳しいことは、２０１３年５月１５日に提出された、特許文献５を参照することができる。

概して、蒸気毛管の基部へ向けられた第１の測定ビームがレーザービームに対して同軸に加工ヘッドの合焦光学系を通過すると、効果的である。
このようにして第１の測定ビームに対応づけられた第１の測定点が常にレーザービームの焦点内に、あるはそのすぐ近傍にあることが、保証されている。
蒸気毛管の検出すべき基部はレーザービームの焦点のすぐ近傍にあるので、それによって第１の測定ビームもそこでその最高の強度を有することになる。
このことが、信号−ノイズ−比及びそれに伴って測定精度にも効果的に作用する。
これは特に、合焦光学系が可変の焦点距離をもたなければならない、上で述べた遠隔処理方法において重要である。

原理的には、第１の測定ビームと第２の測定ビームを光コヒーレントトモグラフの２つの互いに独立した部分システムによって発生させることが可能である。

しかし、光コヒーレントトモグラフは、複数の光学的な境界面を同時に測定することができるので、第１の測定ビームと第２の測定ビームが光コヒーレントトモグラフの少なくとも１つの光学素子を共通に通過し、あるいは他のやり方で共通に利用すると、効果的である。光学素子をこのように共通に利用することによって、コヒーレントトモグラフの構造的費用が減少する。
特に、光コヒーレントトモグラフによって発生された測定光が、まず、コヒーレントトモグラフのオブジェクト光内で第１の測定ビームと第２の測定ビームに分割されると、効果的である。その場合には、光コヒーレントトモグラフの、たとえば内部に設けられるスペクトロメータのような、少なくとも複雑なコンポーネントを、２つの測定ビームのために使用することができる。

好ましくは、ステップａ）からｅ）は、同時に実施される。その場合には、２つの測定ビームによる測定と、レーザービームによる工作物の加工が同時に行われる。

本発明に係る方法によって、ステップｅ）で定められた進入深さに従ってレーザー加工の少なくとも１つのパラメータ、特にレーザービームの出力又は工作物に対する焦点の位置、を変化させることが可能である。
したがって測定された進入深さは、レーザー加工を調節して、質的に高価値の加工結果が得られるようにするために、直接使用することができる。
特に、ステップｅ）で定められた進入深さは、測定量として、蒸気毛管の深さを閉ループ制御する制御回路へ供給することができる。

本発明に従って、蒸気毛管の基部へ好ましくは恒久的に向けられている第１の測定ビームを準備する場合に、第１の測定点の調整が必要とされる場合に、自動的な調整において、使用可能な間隔測定値の割合が最大になるまで、第１のビームに作用する操作部材を用いて第１の測定点の位置を変化させることができる。
この種の調整ステップは、規則的な時間間隔で実施することができ、あるいは特に各加工ステップの前段に接続することができる。その場合に調整ステップは、たとえばレーザービームの調節のためだけに蒸気毛管が発生される、工作物のテスト加工部位において実施することができる。

本発明は、さらに、レーザービームによって工作物を加工するように整えられ、かつ本発明に係る方法を実施するのに適した、レーザー加工装置を対象としている。
レーザー加工装置は合焦光学系を有しており、その合焦光学系は、レーザービームを焦点内に合焦させるように配列されている。
さらにレーザー加工装置は光コヒーレントトモグラフを有しており、それは、第１の測定ビームを、焦点によって工作物上に発生された蒸気毛管の基部の第１の測定点へ向け、それによって参照点と第１の測定点の間の第１の間隔を測定するように配列されている。
光コヒーレントトモグラフは、さらに、同時に第２の測定ビームを蒸気毛管の外部において工作物の表面上の第２の測定点へ向けて、それによって参照点と第２の測定点の間の第２の間隔を測定するように配列されている。
レーザー加工装置は、さらに、評価装置を有しており、その評価装置は、第１の間隔と第２の間隔からレーザービームの進入深さを定めるように配列されている。

コヒーレントトモグラフのオブジェクト光内にスキャン装置を配置することができ、そのスキャン装置は、第２の測定ビームを連続的に工作物の表面上の様々な第２の測定点へ向けるように配列されている。

好ましくは第１の測定ビームはレーザービームに対して同軸に合焦光学系を通過する。合焦光学系は可変の焦点距離を有することができるので、第１の測定ビームは合焦光学系によって常に同一の焦点面内に合焦され、その焦点面内にレーザービームの焦点もある。

特に、光コヒーレントトモグラフが周波数領域内で作動すると、効果的である（英語では、Frequency Domain, FD-OCT）。この種のコヒーレントトモグラフは、大きい軸方向の測定領域を有、かつリファレンス光内に光学的な波長モジュレータを必要としない。

本発明の他の特徴及び利点が、図面を用いた実施例の以下の説明から明らかにされる。

２つの工作物を溶接する場合の第１の実施例に基づく本発明に係るレーザー加工装置を示す図式的な表示である。 図１に示すレーザー加工装置の内部構造を示す図式的な表示である。 図３ａと３ｂは、レーザー加工装置内に保持されている、回転する楔プレートを通る、拡大した子午線断面図である。 蒸気毛管が見られる工作物の拡大された部分を示す断面図である。 図４に示す部分の上面図である。 変化する厚みを有する工作物についての、図４に比較して簡略化された表示である。 時間ｔにわたって間隔値を記入したグラフである。 時間の関数としての進入深さを記入したグラフである。 唯一の測定ビームが工作物を撫でてスキャンする、従来技術に基づくコヒーレントトモグラフを用いて得られた測定値を記入したグラフである。 第２の実施例に基づく本発明に係るレーザー加工装置の内部構造を示す、図２に準拠した図式的な表示である。 図１０に示す実施例のための工作物の一部を拡大して示す、図４に準拠した断面図である。 第３の実施例に基づく本発明に係るレーザー加工装置の内部構造を示す、図２に準拠した図式的な表示である。 図１３ａと１３ｂは、第３の実施例に基づくレーザー加工装置に含まれる、回転する光学素子を通る子午線断面図である。

１．レーザー加工装置の構造
図１は、本発明に係るレーザー加工装置１０のための実施例を図式的に示すものであって、レーザー加工装置１０はロボット１２と、ロボット１２の移動可能なアーム１６に固定された加工ヘッド１４とを有している。
レーザー加工装置１０には、さらにレーザー放射源１８を含み、そのレーザー放射源は図示の実施例においてディスクレーザー又はファイバレーザーとして形成されている。
レーザー放射源１８から発生されたレーザービーム１９は、光学ファイバ２０を介して加工ヘッド１４へ供給され、その加工ヘッドによって焦点２２内に合焦される。

図示の実施例において、レーザー加工装置１０は、変化する厚みを有する第１の金属工作物２４を、工作物ホルダ２７に固定された第２の金属工作物２６と溶接するために、使用される。
したがって加工ヘッド１４によって形成される焦点２２は、第１の工作物２４と第２の工作物２６の間の移行部の近傍に正確に位置決めされなければならない。

図２は、レーザー加工装置１０の内部構造を図式的な表示で示している。
レーザー放射源１８から発生されたレーザービーム１９は加工ヘッド１４内で光学ファイバ２０から出て、第１のコリメータレンズ２８によってコリメートされる。
コリメートされたレーザービーム１９は、その後、ダイクロイックミラー３０によって９０°転向されて、合焦光学系３２上へ当接し、その合焦光学系の焦点距離は、操作駆動装置３４を用いて１つ又は複数のレンズを軸方向に変位させることによって変化させることができる。
このようにして、合焦光学系３２の調節によって焦点２２の軸方向の位置を変化させることができる。
レーザービーム１９の光路内の最後の光学素子は、保護ディスク３８であって、その保護ディスクは加工ヘッド１４に交換可能に固定されており、光学ヘッドの他の光学素子を、符号３８で示唆する加工部位で発生する飛沫や他の汚れから保護する。

レーザー加工装置１０は、さらに、周波数領域で作動する光コヒーレントトモグラフ４０（いわゆるＦＤ−ＯＣＴ）を有している。
コヒーレントトモグラフ４０は、光源４２、光学的なサーキュレータ４４及びファイバカプラ４６を有しており、そのファイバカプラは光源４２から発生された測定光４８をリファレンス光（reference arm) ５０とオブジェクト光（objective arm)５２に分割する。
リファレンス光５０内で測定光は、オブジェクト光５２内の測定光の光学路にほぼ相当する光学路を通過した後に、ミラー５４で反射されて、光学的なサーキュレータ４４へ戻り、その光学的なサーキュレータが、測定光をスペクトログラフ５４へさらに案内する。

オブジェクト光５２内で、測定光は他の光学ファイバ５６の端部から出て第２のコリメータレンズ５８によってコリメートされる。
コリメートされた測定光４８はまず第１のファラデー回転子８６を通過し、そのファラデー回転子が偏光方向を４５°回転させる。
同種の第２のファラデー回転子８４がリファレンス光５０内のフリービーム伝播の部分内に配置されている。
２つのファラデー回転子８４、８６は、コヒーレントトモグラフ４０内で使用される光学ファイバが偏光状態を得られない場合に発生する可能性のある障害を回避する役目を有している。

次に、コリメートされた測定光４８が楔プレート６０上へ当接し、その楔プレートはモータ６２によって回転軸６４を中心に回転させることができる。
図３ａの拡大した表示において認識できるように、楔プレート６０は第１の平面６６を有しており、その第１の平面は回転軸６４に対して垂直に方向付けされており、かつコーティング６８を有しており、そのコーティングは当接する測定光４８の約５０％を反射する。
平面６６は、楔プレート６０が回転する場合にその方向付けを変えないので、その平面が第１の測定ビーム７０ａを発生させ、その測定ビームの方向は同様に不変である。

測定光４８の、部分的に反射するコーティング６８を通過した成分が、楔プレート６０の第２の平面７２上に当接し、その第２の平面は回転軸６４に対して９０°とは異なる角度を形成している。したがって第２の平面７２の方向性は、楔プレート６０の回転角度に依存している。
第２の平面７２には、完全に反射するコーティング７４が設けられている。
２つの平面６６、７２は互いに対して平行ではないので、第２の平面７２は、第１の測定ビーム７０ａとは異なる伝播方向を有する第２の測定ビーム７０ｂを発生させる。その場合に伝播方向は、図３ｂに示すように、回転軸６４に関する楔プレート６０の回転角度に依存する。
そこでは楔プレート６０は、図３ａに示す配置に比較して回転軸６４を中心に１８０°の角度だけ回動されている。したがって回転軸６４を中心に楔プレート６０が回転する場合に、第２の測定ビーム７０ｂは固定の第１の測定ビーム７０ａを中心に連続的に回転する。

２つの測定ビームの光路を詳細に説明するために、以下で再び図２を参照する。
実線もしくは２点鎖線で示唆される測定ビーム７０ａ、７０ｂは、まず、拡散レンズ７６を用いて拡幅されて、その後、第３のコリメータレンズ７８によってコリメートされる。
測定光の波長を通すダイクロイックミラー３０を通過した後に、測定ビーム７０ａ、７０ｂはレーザービーム１９と同様に合焦光学系３２によって合焦されて、保護ディスク３８を通過した後に工作物２４、２６上へ向けられる。
第１の測定ビーム７０ａはレーザービーム１９に対して同軸に伝播するので、色彩的な収差又は調整エラーのようなノイズ効果を度外視する場合には、第１の測定ビーム７０ａの焦点８０はレーザービーム１９の焦点２２と一致する。
第２の測定ビーム７０ｂの焦点面は、レーザービーム１９及び第１の測定ビーム７０ａの焦点面と一致する。

次に、図４を参照して加工部位３６の状況を詳細に説明する。図４は、互いに溶接すべき工作物２４、２６の一部を拡大して示している。工作物２４、２６に対する加工ヘッド１４の移動方向が、符号９８で示されている。

保護ディスク３８から出射する合焦されたレーザービーム１９は焦点２２の近傍において高いエネルギ密度に達し、周囲の金属が蒸発してそれによって蒸気毛管８８を形成し、その蒸気毛管が２つの工作物２４、２６内へ達する。
蒸発した金属の一部が第１の工作物２４の表面９２の上方に雲９０を形成する場合でも、蒸気毛管８８と称されるのは、加工の間に表面９２の下方に形成される中空室のみである。

蒸気毛管８８は、溶融物９２によって包囲されており、その溶融物はレーザービーム１９の焦点２２からの距離が増大するにつれて硬化する。
溶融物９２の領域内で、２つの工作物２４、２６の材料は互いに結合される。
溶融物９２が硬化した場合に、それによって溶接継ぎ目９６が生じ、その溶接継ぎ目の上を向いた側は波打っており、溶接ビード９６と称される。

図４の拡大した表示において認識できるように、第１の測定ビーム７０ａによって形成される焦点は、レーザービーム１９の焦点２２とほぼ一致する。
焦点２２の近傍において、第１の測定ビーム７０ａが、蒸気毛管８８の基部において金属の溶融物９２に当接して、そこからコヒーレントトモグラフ４０のオブジェクト光５２内へ反射されて戻る。
第１の測定ビーム７０ａが蒸気毛管の基部に当接する点が、第１の測定ビーム７０ａに対応づけられた第１の測定点ＭＰａを表す。

第２の測定ビーム７０ｂが第１の工作物２４の、蒸気毛管８８を包囲する表面９２によって反射された点が、第２の測定ビーム７０ｂに対応づけられた第２の測定点ＭＰｂを表す。

図５は、図４に示す部分について、第１の工作物２４を上面で示している。
溶接継ぎ目９４を形成するために加工ヘッド１４が走行方向９８に沿って移動された場合に、走行方向９８において蒸気毛管８８の後方に、すでに説明した溶接ビード９６が生じる。
楔プレート６０が回転する間、第２の測定点ＭＰｂが加工部位３６を中心とする円軌道１０２上でどのように回転するかが、矢印１００で示唆されている。その場合に第２の測定点ＭＰｂは溶融物９２の一部も通過する。
楔プレート６０の楔角度がより大きく選択された場合に、円１０２の半径が増大する。この場合には、第２の測定点ＭＰｂは溶接ビード９６も通過することができる。
このようにしてコヒーレントトモグラフ４０の測定周波数が数ｋＨｚの大きさ、楔プレート６０の回転周波数が１００Ｈｚの大きさ、そして走行方向９８に沿った速度が１ｍ／ｓの大きさである場合に、加工部位３６の周囲の表面９２のレリーフが高い解像度で検出される。

２．機能
以下、レーザー加工装置１０の機能を、図６〜９を参照して詳細に説明する。
第１のステップにおいて、レーザービーム１９の進入深さの目標値が定められる。進入深さは、図４に符号ｄで示されており、かつ包囲する第１の工作物９４の（まだ固体の）表面９２の下方の蒸気毛管８８の深さとして定義されている。
進入深さがあまりに小さい場合には、２つの工作物２４、２６は互いに溶接されず、あるいは不完全にしか溶接されない。それに対して進入深ｄさが大きすぎる場合には、溶断がもたらされる。

厚みが一定の平坦な工作物においては、進入深さｄは、概ね一定である。しかし一般的に、進入深さｄは、工作物上の座標ｘ、ｙに依存する。
進入深さｄの変化は、たとえば、図６に示すように、第１の工作物２４の厚みが場所に依存している場合に、必要となる場合がある。
図６の右に破線で示すように、進入深さｄが増加する場合にだけ、楔形状の横断面を有する第１の工作物２４は、品質を変えずに第２の工作物２６と溶接することができる。

進入深さｄを測定するために、第１の測定ビーム７０ａが第１の測定点ＭＰａにおいて参照点に対する蒸気毛管８８の間隔を測定し、その参照点は、たとえば、保護グラス３８の表面上の、光学軸ＯＡによって貫通される点である。この間隔が、図４に符号ａ１で示されている。

第２の測定ビーム７０ｂは、第２の測定点ＭＰｂにおいて、図４に符号ａ２で示される、参照点と蒸気毛管８８を包囲する第１の工作物２４の表面９２との間の間隔を測定する。
その後、進入深さｄは、間隔ａ２とａ１の差として得られる。
この関係が有効であるようにするためには、第２の測定ビーム７０ｂに対応づけられた第２の測定点ＭＰｂが蒸気毛管８８に対して近傍に、すなわち２．５ｍｍより少ない、好ましくは１ｍｍより少ない横方向の間隔で存在すべきであって、それによって第１の工作物２４の表面９２に万一段部や湾曲があっても、それが測定を歪曲することはない。
この種の段部又は湾曲は、進入深さを定める場合に間隔ａ２のための測定値が利用されることによっても、考慮することができ、その測定値は第２の測定点ＭＰｂが、いま第１の測定点のある座標ｘ、ｙにあった、先行する時点で求められたものである。
というのは、すでに説明したように、走行運動と協働して第２の測定ビーム７０ｂによって加工部位３６の周囲を円形に走査することによって、第１の工作物２４の表面９２のレリーフが、特にレーザービーム１９による加工前と加工後の状態について、得られるからである。

コヒーレントトモグラフ４０を用いて間隔ａ１、ａ２を求めることは、従来のやり方で行われる。
オブジェクト光５２内で案内される測定光４８は、測定点ＭＰａ、ＭＰｂで反射した後に再びオブジェクト光５２内へ入射して、他の光学ファイバ５６を介してファイバカプラ４６へ、そしてサーキュレータ４４へ戻る。
スペクトログラフ５４内で、反射された測定光が、リファレンス光５０内で反射された測定光と重畳される。
スペクトログラフ５４内では、リファレンス光５０内とオブジェクト光５２内で反射された測定光の干渉がもたらされる。
干渉信号が制御及び評価装置１１４（図２を参照）へ供給されて、同装置がそれに基づいて、リファレンス光５０内とオブジェクト光５２内で反射された測定光の光学的な距離長さの差を計算する。
それに基づいて、共通の参照点からの測定点ＭＰａ、ＭＰｂの間隔ａ１、ａ２が導き出される。

各時点で、スペクトル内の２つの信号成分、すなわち第１の測定点ＭＰａについての第１の信号成分と、第２の測定点ＭＰｂについての第２の信号成分が得られる。
本発明に係る方法を実施する場合の特殊性は、第１の測定点ＭＰａのみが光学軸ＯＡ上にあって、第２の測定点ＭＰｂはないことにある。

図７は、溶接プロセスの間に２つの測定ビーム７０ａ、７０ｂが走行方向９８に沿って図６に示す測定区間２４、２６にわたって移動される場合に、コヒーレントトモグラフ４０によって発生される測定値を、図式的に示している。
横軸上に時間ｔが、そして縦軸には参照点に対する間隔ａが示されている。
座標系は、間隔値を図６に示す工作物２４、２６の幾何学配置ともっと良く比較することができるようにするために、倒置して示されている。

グラフの下方の領域内には、第１の測定点ＭＰａに対応づけることが可能な第１の測定値１０４がある。第１の測定値１０４は、比較的大きい領域にわたって散乱している。
実験により、第１の測定ビーム７０ａは、蒸気毛管８８の底に達する前に、しばしば反射されることが、明らかにされている。その正確な原因は、まだ詳細には知られていない。
というのは、蒸気毛管８８内のプロセスは複雑であって、観察が難しいからである。
場合によっては、レーザー加工の間に蒸気毛管８８は横方向に急速に移動して、第１の測定ビーム７０ａが蒸気毛管の側方の壁のみに当接することが多く、その底には当接しない。
原因として、金属蒸気の凝縮により、あるいは溶融物９２からの飛沫が離れることにより蒸気毛管８８内に形成される金属の滴も考えられる。

調査によって、図７のグラフ内の最大の間隔値のみが、蒸気毛管８８の基部に対する間隔ａ１を表すことが、明らかにされている。
したがってこれら下方の測定点１０４を通る調整直線１０６が、間隔関数ａ１（ｔ）を表す。
したがって最大の進入深さｄの成分のみが使用される。
第１の測定点のための残りの測定値は、破棄される。

図７の上に認識される第２の測定値１０８は、第２の測定ビーム７０ｂが走行方向９８において第１の測定ビーム７０ａの前にある時点で、第２の測定ビーム７０ｂによって発生されたものである。
この状態が、図５に示されている。
したがって第２の測定値１０８を通る調整直線は、間隔のための関数ａ２（ｔ）を供給する。
したがって、与えられた時点ｔ’において、進入深さｄは、
ｄ＝ａ２（ｔ'）−ａ１（ｔ'）
となる。

進入深さｄ（ｔ）の時間的な変化が、図８のグラフに実線１０７で示されている。
破線１１２で示されるのは、この溶接プロセスのために前もって定められた目標進入深さｄｔ（ｔ）である。
実際の進入深さｄ（ｔ）が、溶接プロセスの経過においてその目標値からだんだんとずれていることが認識される。その原因は、たとえば保護ディスク３８の汚れの増大と考えることができ、それによって工作物２４、２６へ達するレーザー放射１９がだんだんと少なくなる。

目標値からの進入深さｄの偏差は、予め定められた限界内でのみ許容することができる。この限界を上回った場合には、限界を超えることを阻止するために、溶接プロセスの間レーザービーム１９の出力が連続的に、あるいは段階的に変化される。

したがって本発明に係るレーザー加工装置１０においては、進入深さｄ（ｔ）のための目標値が制御及び評価装置１１４へ供給され、同装置はレーザー放射源１８とも、合焦光学系３２の合焦駆動装置３４とも、信号接続されている。
制御及び評価装置は、図示の実施例において閉ループ制御回路の一部であって、その閉ループ制御回路へ測定量として進入深さについて測定された値が供給される。
制御及び評価装置１１４は、進入深さｄ（ｔ）について測定された値を目標値ｄｔ（ｔ）と比較し、レーザー放射源１８の出力を、測定された進入深さｄ（ｔ）が目標値からできるだけわずかしかずれないように、閉ループ制御する。
それに加えて、あるいはその代わりに合焦光学系３２を次のように、すなわちレーザービーム１９の焦点２２が軸方向に変位して、それによって進入深さｄを変化させるように、調節することもできる。

図９は、比較のために、溶接プロセスの間唯一の測定ビームによって加工部位を走行方向９８に沿って走査する場合に得られる、進入深さの測定を示している。
実線は、蒸気毛管８８の実際の幾何学配置を示している。
蒸気毛管８８の領域内にはわずかな測定値しかなく、進入深さについて信頼できる説明を行うことができない。
本発明に従って恒久的又は比較的長い期間にわたって第１の測定ビーム７０ａが蒸気毛管８８の基部へ向けられている場合にのみ、上で図７を参照して説明したような、進入深さに関する信頼できる説明を可能にする測定値が得られる。

蒸気毛管８８の基部と参照点との間の間隔ａ１を正確に測定するために、加工プロセスの開始前に第１の測定ビーム７０ａの方向を極めて正確に調整することが必要となる場合がある。その場合に調整は、オブジェクト光５２内に配置されているレンズ５８、７６、７８の１つ又は複数を傾けることによって行うことができる。
測定ビーム７０ａ、７０ｂの横方向の位置を調整するために、特に、レンズ７６又は７８のいずれかを横に移動させることが考えられる。軸方向に調節するためには、レンズ７６と７８の間の間隔を変化させることができる。
好ましくはこの調整は、自動的な調整ステップで行われ、その際、まずテスト加工部位において調整の目的のためだけにレーザービーム１９によって蒸気毛管８８が発生されて、同時にその深さがコヒーレントトモグラフ４０によって測定される。
その場合に制御及び評価装置１１４と接続されている操作部材１１３（図２を参照）が第２のコリメータレンズ５８を、第１の測定点ＭＰａが、最も多くの使用可能な測定値が得られる位置にくるまで、傾ける。

第１の測定ビーム７０ａを調節するために、レンズ５８を傾ける代わりに、他の措置ももちろん考えられる。この目的に特に適しているのは、アクチュエータによって２本の軸を中心に調節可能なミラーであって、そのミラーはＭＥＭＳミラーとして形成することもできる。

３．代替的な実施例
ａ）スキャンミラー
図１０は、本発明に係るレーザー加工装置１０の他の実施例を、図２に準拠した表示で示している。
図２に示す実施例とは異なり、２つの測定ビーム７０ａ、７０ｂは回転する楔プレート６０によってではなく、第２のファイバカプラ１１５によって発生される。
第１の測定ビーム７０ａは、第３のコリメータレンズ１１６によるコリメート後にビームスプリッタキューブ１１８を通過して、その後、図２を参照して説明したように、再び後続の光学素子によって焦点２２の近傍で第１の測定点ＭＰａへ合焦される。

第２のファイバカプラ１１５から結合解除された第２の測定ビーム７０ｂは、第４のコリメータレンズ１２０によるコリメート後にスキャンミラー１１７上へ当接し、そのスキャンミラーは図示されないアクチュエータによってＹ軸を中心にも、Ｘ軸を中心にも揺動することができる。
揺動された第２の測定ビーム７０ｂは、ビームスプリッタキューブ１１８によって第１の測定ビーム７０ａの光路内へ結合されて、第２の測定点ＭＰｂへ向けられる。
したがって図２に示す実施例とは異なり、第２の測定点ＭＰｂは加工部位３６を中心とする円軌跡上を移動するだけでなく、任意のやり方で加工部位３６を包囲する領域にわたって案内される。
これは、たとえば、溶接ビード９６の表面レリーフを特に高解像度で検出することに特別な興味がある場合に、好ましい場合がある。

スキャンミラー１１７が固有周波数で励振された場合に、第２の測定点ＭＰｂは第２の工作物２４の表面９２上でリサジュー（Lissajou)図形を描き、そのリサジュー図形によって大きい面も特に高速の走査が可能である。

第２のファイバカプラ１１５とビームスプリッタキューブ１１８における光損失を回避するために、第２のファイバカプラ１１４はその中へ入射する測定光を偏光又は波長に従って分割することができる。
第２のファイバカプラが偏光選択的である場合には、ビームスプリッタキューブ１１８も偏光選択的でなければならない。
それに対して第２のファイバカプラが波長選択的である場合には、ビームスプリッタキューブ１１８もダイクロイック作用を持たなければならない。

図１０では、第２の測定ビーム７０ｂをコリメートする第４のコリメータレンズ１２０にアクチュエータ１２２が対応づけられており、そのアクチュエータによって第４のコリメータレンズ１２０が軸方向に移動する。このようにして第２の測定ビーム７０ｂの焦点の軸方向の位置を変位させることができる。
特に、図１１に示すように、この焦点を正確に第２の測定点ＭＰｂ内に位置決めすることが可能である。このようにして、工作物２４の表面９２からのより強い光反射が得られる。

ｂ）瞳孔近傍における分割
図１２は、本発明に係るレーザー加工装置１０の第３の実施例を、同様に図２に準拠した表示で示している。
図１２に示すレーザー加工装置１０においては、２つの測定ビーム７０ａ、７０ｂは特殊な非球面の光学素子１２４によって発生され、その素子は測定光４８の光路内の瞳孔近傍に位置する。
その場合に測定プロセスの間、光学素子１２４は駆動装置１２６によって光学軸と一致する回転軸１２８を中心に回転される。

図１３ａと１３ｂは、光学素子１２４を２つの回転位置で示しており、それらの回転位置は互いに対して１８０°の回転角度異なる。
光学素子１２４は、実質的に、球状の表面を有する平−凸レンズの形状を有している。
図１３ａにおいて、この表面の対称軸が、符号１３０で示されている。
対称軸１３０に対して偏心しているが、回転軸１２８に対して心だしして、表面は半径Ｒ１の円筒状の広がり１３２を有しており、その平坦な表面は入力側の平面１２４に対して平行である。
したがって回転軸１２８から半径ｒ＜Ｒ１で光学素子１２４上へ当接する、コリメートされた測定光のために、光学素子１２４はすべての回転位置で平面平行のプレートのように作用する。

光学素子１２４上へ間隔＞Ｒ１で当接する光については、これは、偏心して配置された、正の屈折力を有するレンズのように作用する。
したがってそれぞれ光学素子１２４の回転位置に応じて、測定光は、図１３ａと図１３ｂを比較することによって認識されるように、様々な方向へ偏向される。

円筒状の切り欠き１３２を通過する測定光が第１の測定ビーム７０ａを形成し、リング形状に取り巻く領域を通過する測定光が第２の測定ビーム７０ｂを形成する。
したがって図２において説明した実施例の回転する楔プレート６０におけるのと同様に、回転する光学素子１２４が固定的な第１の測定ビーム７０ａと、第１の測定ビーム７０ａを中心に円形に一周する第２の測定ビーム７０ｂとを発生させる。

第２の測定ビーム７０ｂは光学素子１２４の表面の凸状に湾曲した部分を通過するので、この実施例においても２つの測定ビーム７０ａ、７０ｂは様々な焦点面内に合焦される。

Claims (14)

1. 工作物（２４）内へのレーザービーム（１９）の進入深さ（ｄ）を測定する方法であって、
   ａ）加工ヘッド（１４）内に配置されている合焦光学系（３２）を用いて焦点（２２）内にレーザービーム（１９）を合焦させ、それによって焦点が工作物内に蒸気毛管（８８）を発生させるステップと、
   ｂ）光コヒーレントトモグラフ（４０）によって第１の測定ビーム（７０ａ）と第２の測定ビーム（７０ｂ）を発生させるステップと、
   ｃ）第１の測定ビーム（７０ａ）を蒸気毛管（８８）内の第１の測定点（ＭＰａ）へ向け、それによって参照点と第１の測定点の間の第１の間隔（ａ１）を測定するステップと、
   ｄ）ステップｃ）と同時に、蒸気毛管（８８）の外部において工作物（２４）の加工ヘッド（１４）を向いた表面（９２）上の第２の測定点（ＭＰｂ）へ第２の測定ビーム（７０ｂ）を向け、それによって参照点と第２の測定点の間の第２の間隔（ａ２）を測定するステップと、
   ｅ）第１の間隔（ａ１）と第２の間隔（ａ２）からレーザービーム（１９）の進入深さ（ｄ）を定めるステップと、
   を含み、
   ステップｄ）において、スキャン装置（６０、１１７）によって、第２の測定ビーム（７０ｂ）が連続して、工作物（２４）の表面（９２）上の異なる第２の測定点（ＭＰｂ）へ向けられ、かつ、
   第１の測定ビーム（７０ａ）は、該第１の測定ビーム（７０ａ）が工作物（２４）に当接したとき、測定光のない空間によって第２の測定ビーム（７０ｂ）から分離されている、
   ことを特徴とする方法。
2. 第１の測定点（ＭＰａ）が蒸気毛管（８８）の基部に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ステップｂ）からｃ）を多数回繰り返し、そこから得られた第１の間隔（ａ１）のための測定値から、最大の第１の間隔（ａ１）を表す成分が選択される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 第２の測定点（ＭＰｂ）が、蒸気毛管（８８）の端縁から２．５ｍｍより小さい、好ましくは１ｍｍより小さい、側方の間隔を有している、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 様々な第２の測定点（ＭＰｂ）の少なくともいくつかが、蒸気毛管（８８）を取り巻く円（１０２）上に位置している、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 第１の測定ビーム（７０ａ）がレーザービーム（１９）に対して同軸に加工ヘッド（１４）の合焦光学系（３２）を通過する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 合焦光学系（３２）が可変の焦点距離を有しており、
   第１の測定ビーム（７０ａ）が合焦光学系によって常に同一の焦点面内で合焦され、前記焦点面内にレーザービーム（１９）の焦点（２２）もある、
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 第１の測定ビーム（７０ａ）と第２の測定ビーム（７０ｂ）が、光コヒーレントトモグラフ（４０）の少なくとも１つの光学素子（４４、４６、５４）を共通に利用する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 光コヒーレントトモグラフ（４０）によって発生された測定光が、コヒーレントトモグラフのオブジェクト光（５２）内で第１の測定ビーム（７０ａ）と第２の測定ビーム（７０ｂ）に分割される、
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. ステップｅ）において定められた進入深さ（ｄ）に従って、レーザー加工の少なくとも１つのパラメータ、特にレーザービーム（１９）の出力又は工作物（２４）に対する焦点（２２）の位置、が変化される、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. ステップｅ）において定められた進入深さ（ｄ）が、蒸気毛管（８８）の深さを閉ループ制御するための閉ループ回路に測定量として供給される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 自動的な調整ステップにおいて、第１の測定点（ＭＰａ）の位置が、使用可能な間隔測定値の割合が最大になるまでの間、第１の測定ビーム（７０ａ）に作用する操作部材（１１３）によって変化される、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. レーザービーム（１９）によって工作物（２４）を加工する方法であって、
    第１のステップにおいて請求項１から１２のいずれか１項に従って工作物（２４）内へのレーザービーム（１９）の進入深さが測定され、かつ
    第２のステップにおいては、測定された進入深さ（ｄ）が蒸気毛管（８８）の深さを閉ループ制御するための閉ループ制御回路へ測定量として供給される、
    ことを特徴とする工作物を加工する方法。
14. レーザービーム（１９）によって工作物（２４）を加工するように整えられたレーザー加工装置であって、
    ａ）レーザービーム（１９）を焦点（２２）内に合焦させるように整えられた、合焦光学系（３２）と、
    ｂ）光コヒーレントトモグラフ（４０）であって、それが
    −第１の測定ビーム（７０ａ）を、焦点（２２）によって工作物（２４）上に発生される蒸気毛管（８８）内の第１の測定点（ＭＰａ）へ向け、それによって参照点と測定点（ＭＰａ）の間の第１の間隔（ａ１）を測定し、かつ
    −同時に第２の測定ビーム（７９ｂ）を、蒸気毛管（８８）の外部において工作物（２４）の表面（９２）上の第２の測定点（ＭＰｂ）へ向け、それによって参照点と第２の測定点（ＭＰｂ）との間の第２の間隔（ａ２）を測定する、
    ように整えられている、光コヒーレントトモグラフと、
    ｃ）第１の間隔（ａ１）と第２の間隔（ａ２）からレーザービーム（１９）の進入深さ（ｄ）を定めるように整えられている、評価装置（１１４）と、
    を具備し、さらに
    コヒーレントトモグラフのオブジェクト光（５２）内に配置されたスキャン装置（６０、１１７）を有し、
    前記スキャン装置が、第２の測定ビーム（７０ｂ）を連続的に工作物（２４）の表面（９２）上の異なる第２の測定点（ＭＰｂ）へ向けるように構成されており、
    第１の測定ビーム（７０ａ）は、該第１の測定ビーム（７０ａ）が工作物（２４）に当接したとき、測定光のない空間によって第２の測定ビーム（７０ｂ）から分離されている、
    ことを特徴とするレーザー加工装置。

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